基于HyperMesh的工程爆破模擬前處理優(yōu)化

周文君 聶紅鑫 王帥

摘要：

為提高工程爆破模擬前處理工作的效率、改善爆破設(shè)置方法，基于HyperMesh二次開發(fā)技術(shù)，結(jié)合爆破工程學(xué)專業(yè)知識(shí)，利用TCL/TK語(yǔ)言編寫爆破前處理工作插件。該插件支持用戶根據(jù)爆破工程實(shí)際情況設(shè)置炸藥起爆位置、炸藥種類和炸藥當(dāng)量，融合LSDYNA多物質(zhì)流固耦合技術(shù)，使傳遞沖擊波的介質(zhì)與爆破物體間能夠在單元非共節(jié)點(diǎn)狀態(tài)下傳力。該插件使用圖形化界面進(jìn)行多起爆點(diǎn)設(shè)置和起爆點(diǎn)參數(shù)修改，采用介質(zhì)有限元網(wǎng)格自動(dòng)劃分技術(shù)優(yōu)化HyperMesh的爆破邊界條件設(shè)置。應(yīng)用該插件優(yōu)化HyperMesh工程爆破的前處理工作，既能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能減少爆破前處理設(shè)置的復(fù)雜操作、提高工作效率。

關(guān)鍵詞：

中圖分類號(hào)：? O383.1; TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Preprocessing optimization of engineering blasting simulation based on HyperMesh

ZHOU Wenjun， NIE Hongxin， WANG Shuai

（Civil Engineering college， Jilin University of Architecture and Technology， Changchun 130000， China）

Abstract：

To improve the efficiency of preprocessing of engineering blasting simulation and improve the blasting setting method， the plugin for blasting preprocessing is wrote by using TCL/TK language based on the secondary development technology of HyperMesh and combined with professional knowledge of blasting engineering. The plugin can support users to set the explosive initiation position， explosive type and explosive equivalent according to the actual situation of blasting engineering. Using LSDYNA multimaterial fluidstructure coupling technology， the force transfer between the shock wave transmission medium and the blasting object can be carried out in the non conode state of the element. The graphical interface is used to set multiple initiation points and modify parameters of initiation points. The blasting boundary condition setting in HyperMesh is optimized by using automatic mesh generation technology of medium finite element. The application of the plugin for the preprocessing optimization of HyperMesh engineering blasting can not only ensure the accuracy of the results， but also reduce the complicated operation of preprocessing settings and improve the working efficiency.

Key words：

HyperMesh; secondary development; fluidstructure coupling; multipoint detonation; explosive; boundary condition; finite element

0 引 言

近年來，意外爆炸事故頻發(fā)。爆炸沖擊波導(dǎo)致建筑物劇烈震蕩，引起結(jié)構(gòu)破壞，甚至造成建筑物整體倒塌，嚴(yán)重威脅人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全。[1]在建筑安全領(lǐng)域，爆炸沖擊載荷已成為重點(diǎn)關(guān)注的載荷形式之一，提升結(jié)構(gòu)抗爆能力已成為工程技術(shù)人員急需攻克的難題之一。在隧道挖掘工程中，爆炸安全問題也非常重要。[2]隧道專家提出許多施工方法，適用于不同的工程地質(zhì)條件，其中鉆爆法是較為經(jīng)濟(jì)、合理、適用的隧道施工方法[3]，但爆炸載荷對(duì)周圍的建筑物、臨近的地下管道都會(huì)產(chǎn)生影響，這類問題不適合用試驗(yàn)方法進(jìn)行研究。除此之外，水下爆炸問題，如潛水艇的研究和制造等均與工程爆破計(jì)算息息相關(guān)。

通用有限元前處理軟件ANSYS和HyperMesh處理爆破問題時(shí)均具有一定的局限性，并且操作過程相當(dāng)煩瑣。作為一款功能強(qiáng)大的前處理軟件，HyperMesh支持利用TCL/TK語(yǔ)言進(jìn)行二次開發(fā)。[4]用戶可以根據(jù)自己的需求利用TK創(chuàng)建特定界面、開發(fā)應(yīng)用程序，使其滿足多樣化需求，提高工作效率。[57]

在爆炸分析中，爆破物體、沖擊波傳播介質(zhì)、炸藥三者組成一個(gè)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，各模塊互聯(lián)需要設(shè)置復(fù)雜的參數(shù)，因此有必要簡(jiǎn)化爆破系統(tǒng)的有限元模型和參數(shù)設(shè)置，優(yōu)化建模方法。本文開發(fā)的插件封裝LSDYNA求解爆破問題經(jīng)常需要的材料模型、ALE屬性和多物質(zhì)流固耦合等關(guān)鍵字，并配備排隊(duì)求解接口。

1 工程爆破前處理優(yōu)化插件協(xié)同工作流程

工程爆破的前處理工作主要涉及炸藥、介質(zhì)和爆破物體的建模以及三者之間的關(guān)聯(lián)設(shè)置，包括炸藥和介質(zhì)的屬性分配、起爆點(diǎn)的相關(guān)設(shè)置等。在進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)，工程師需要調(diào)整的參數(shù)繁多，極易遺漏部分參量，導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤。針對(duì)這類問題，本文設(shè)計(jì)HyperMesh的工程爆破前處理優(yōu)化插件，其工作流程見圖1。打開HyperMesh軟件，利用HyperMesh的啟動(dòng)腳本功能找到主文件loophole.tcl，即可啟動(dòng)插件。

（1）單位制度設(shè)置。在爆破物體模型導(dǎo)入HyperMesh前，通過插件進(jìn)行單位制度設(shè)置，包括kgmms、kgms、kgmmms、Tmmms、Tmms和多物質(zhì)流固耦合設(shè)置。如果通用前處理軟件不設(shè)置單位制度，那么炸藥材料模型參數(shù)和流固耦合參數(shù)的單位轉(zhuǎn)換就需要煩瑣的手工操作。

（2）工作路徑設(shè)置、爆破物體模型導(dǎo)入、k文件創(chuàng)建。工作路徑設(shè)置為軟件數(shù)據(jù)寫出提供路徑。爆破物體模型可以是已經(jīng)分配材料模型的有限元模型，也可以在材料庫(kù)里選擇適合的材料模型。創(chuàng)建空的k文件為數(shù)據(jù)寫出開辟存儲(chǔ)空間。

（3）沖擊波傳播介質(zhì)的類型選擇和網(wǎng)格創(chuàng)建。

常規(guī)介質(zhì)類型中的水和空氣等材料模型和屬性已經(jīng)內(nèi)置到插件中，用戶只需要點(diǎn)選即可，不需要進(jìn)行文獻(xiàn)查找和單位轉(zhuǎn)換等相關(guān)操作。

空氣網(wǎng)格必須是六面體網(wǎng)格，利用HyperMesh工具先劃分四邊形平面網(wǎng)格，再通過網(wǎng)格拉伸或者網(wǎng)格映射等手段創(chuàng)建六面體單元，過程非常復(fù)雜。[810]使用優(yōu)化插件，只需要輸入介質(zhì)空間尺寸和網(wǎng)格尺寸要求，即可自動(dòng)生成所需要的網(wǎng)格。

（4）炸藥的類型選擇和網(wǎng)格創(chuàng)建。

常規(guī)炸藥類型RDX、HMX和TNT等材料模型和屬性已經(jīng)內(nèi)置到插件中，用戶只需要點(diǎn)選即可，不需要進(jìn)行文獻(xiàn)查找和單位轉(zhuǎn)換等相關(guān)操作。單獨(dú)利用HyperMesh工具創(chuàng)建炸藥網(wǎng)格時(shí)，往往把空氣網(wǎng)格移動(dòng)到炸藥組件中，需要移動(dòng)的網(wǎng)格對(duì)起爆點(diǎn)位置信息和炸藥尺寸信息有一定的要求，因此選擇需要移動(dòng)的網(wǎng)格非常困難。使用爆破前處理插件，只需要輸入炸藥的位置和炸藥尺寸信息即可自動(dòng)生成炸藥網(wǎng)格。

（5）起爆點(diǎn)設(shè)置。爆破可分為單點(diǎn)起爆爆破和多點(diǎn)起爆爆破，如：建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件爆破屬于單點(diǎn)起爆爆破;隧道開挖一般會(huì)鉆出幾十甚至幾百個(gè)藥孔，屬于多點(diǎn)起爆爆破。面對(duì)這樣的大工程，使用HyperMesh完成非常困難，面臨的問題也很多。使用優(yōu)化插件可以圖形化設(shè)置起爆點(diǎn)，結(jié)合起爆點(diǎn)參數(shù)檢查功能，可以快速準(zhǔn)確地完成起爆點(diǎn)設(shè)置。

（6）多物質(zhì)流固耦合創(chuàng)建、邊界條件設(shè)置。多物質(zhì)流固耦合關(guān)鍵字已經(jīng)內(nèi)置到優(yōu)化插件中，插件會(huì)根據(jù)單位制度自動(dòng)分配。相比通過HyperMesh處理，插件可以節(jié)省主、從構(gòu)件的設(shè)置操作，同時(shí)省去參數(shù)單位的轉(zhuǎn)換。插件還提供更方便的介質(zhì)無反射邊界條件設(shè)置方法。

（7）將全部的設(shè)置數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后輸入HyperMesh中，使各組件與相應(yīng)屬性匹配。

（8）提交計(jì)算?；贖yperMesh開發(fā)計(jì)算模型，其常規(guī)計(jì)算提交方法和批處理計(jì)算提交方法分別見圖2和3。批處理提交方法可實(shí)現(xiàn)排隊(duì)求解多個(gè)文件，大幅度提高求解效率。

2.1 開發(fā)目的

單獨(dú)使用HyperMesh設(shè)置爆破計(jì)算模型雖然可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)算，但會(huì)出現(xiàn)冗余操作，可能導(dǎo)致設(shè)置失誤。HyperMesh結(jié)合優(yōu)化插件協(xié)同工作可以解決這些問題：（1）規(guī)避參數(shù)單位制度煩瑣的手工轉(zhuǎn)換;（2）優(yōu)化傳遞沖擊波介質(zhì)網(wǎng)格建立方法;（3）優(yōu)化炸藥網(wǎng)格的定位和分配方法，特別在多點(diǎn)爆破的環(huán)境中優(yōu)勢(shì)更明顯;（4）優(yōu)化起爆點(diǎn)的設(shè)置方法，增加起爆點(diǎn)參數(shù)檢查和修改功能;（5）開發(fā)介質(zhì)、炸藥材料庫(kù);（6）開發(fā)批處理計(jì)算求解接口。

2.2 合理規(guī)避手工轉(zhuǎn)換參數(shù)單位

參數(shù)單位制度轉(zhuǎn)換問題出現(xiàn)的原因是參與計(jì)算的材料參數(shù)往往是從科研文獻(xiàn)中查找出來的，或是從某些算例中提取的參數(shù)，因此參數(shù)單位制度往往與模型的單位制度不匹配，需要研究者手工轉(zhuǎn)換。多物質(zhì)流固耦合計(jì)算設(shè)置也面臨同樣的問題，因此應(yīng)用TCL類技術(shù)把不同單位制度下常用的爆炸波傳遞介質(zhì)材料模型和炸藥材料模型內(nèi)置于插件中。單位制度自動(dòng)轉(zhuǎn)換邏輯結(jié)構(gòu)見圖4。

2.3 介質(zhì)網(wǎng)格自動(dòng)創(chuàng)建技術(shù)

在爆破分析中，介質(zhì)包圍在爆破物體四周，一般采用立方體網(wǎng)格，這樣的網(wǎng)格形狀只能用六面體劃分。[11]如此特征明顯的網(wǎng)格，可以利用二次開發(fā)技術(shù)自動(dòng)處理，介質(zhì)網(wǎng)格自動(dòng)創(chuàng)建過程見圖5。

第一步，給出介質(zhì)區(qū)域定位節(jié)點(diǎn)和介質(zhì)幾何尺寸，應(yīng)用HyperMesh中API組件的*solidblock創(chuàng)建介質(zhì)網(wǎng)格的幾何區(qū)域;第二步，給出單元尺寸，劃分區(qū)域底面二維網(wǎng)格，生成拉伸路徑節(jié)點(diǎn);第三步，完成網(wǎng)格拉伸，生成六面體網(wǎng)格，清除幾何、清除面網(wǎng)格并清空路徑節(jié)點(diǎn)。

2.4 炸藥網(wǎng)格的分配技術(shù)

在爆破分析中，炸藥網(wǎng)格往往是根據(jù)起爆點(diǎn)位置把起爆點(diǎn)附近的網(wǎng)格導(dǎo)入到炸藥組件中，定義為炸藥網(wǎng)格。第一步，獲取起爆點(diǎn)位置和炸藥幾何尺寸2組參數(shù)，完成炸藥網(wǎng)格的自動(dòng)分配;第二步，利用HyperMesh中API組件的*block包裹相關(guān)的單元;第三步，把包裹的單元移動(dòng)到相應(yīng)組件中。在多起爆點(diǎn)的爆破工況中，需要獲取多組這樣的參數(shù)，炸藥網(wǎng)格分配過程見圖6。

2.5 批處理計(jì)算求解技術(shù)

在爆破分析中，經(jīng)常需要計(jì)算多種起爆點(diǎn)分布的爆破結(jié)果，對(duì)比不同分析結(jié)果得到最優(yōu)方案。常規(guī)的方法是一次提交一個(gè)計(jì)算文件，過程非常煩瑣。為提升效率、解放雙手，優(yōu)化插件特開發(fā)批處理接口。工程師可以通過一次操作把所有調(diào)試的模型都提交到求解器上，求解器按序列進(jìn)行計(jì)算。批處理技術(shù)需要提供參數(shù)、求解文件路徑、求解需要的CPU、讀入文件的內(nèi)存等，其代碼邏輯結(jié)構(gòu)見圖7。

3 工程爆破前處理優(yōu)化插件爆炸計(jì)算實(shí)例

3.1 實(shí)例概況

試件來源于軍事科學(xué)院田志敏等[12]在外包鋼板加固鋼筋混凝土柱抗爆性能試驗(yàn)研究中的普通RC柱，柱截面尺寸為300 mm×300 mm，柱高為3 000 mm，保護(hù)層厚度為30 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，縱筋等級(jí)為HRB400級(jí)，箍筋等級(jí)為HRB335級(jí)，配筋形式見圖8。炸藥當(dāng)量為7.6 kg，爆心距RC柱跨中近炸藥側(cè)外表面0.6 m，RC柱兩段固定。

3.2 2種前處理方法的幾點(diǎn)比較

3.2.1 起爆點(diǎn)設(shè)置

優(yōu)化插件起爆點(diǎn)設(shè)置窗口見圖9。

應(yīng)用工程爆破前處理優(yōu)化插件設(shè)置起爆點(diǎn)，不用單獨(dú)添加起爆點(diǎn)關(guān)鍵字;起爆點(diǎn)設(shè)置完成后，在相應(yīng)起爆點(diǎn)處標(biāo)注幾何標(biāo)識(shí);在多點(diǎn)起爆工況中，利用起爆點(diǎn)幾何標(biāo)識(shí)可以輕而易舉地分辨起爆位置是否已經(jīng)完成設(shè)置。單純利用HyperMesh進(jìn)行起爆點(diǎn)設(shè)置，極容易使工作混淆，見圖10。

3.2.2 多物質(zhì)流固耦合設(shè)置

應(yīng)用工程爆破前處理優(yōu)化插件設(shè)置多物質(zhì)流固耦合，*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID和*ALE_MULTIMATERIAL_GROUP關(guān)鍵字不用單獨(dú)添加，插件可以自動(dòng)生成;應(yīng)用優(yōu)化插件設(shè)置多物質(zhì)流固耦合，不用單獨(dú)進(jìn)行主、從組件集合設(shè)置，插件可自動(dòng)完成集合生成，見圖11。

3.3 優(yōu)化插件處理計(jì)算結(jié)果及其驗(yàn)證分析

應(yīng)用基于HyperMesh開發(fā)的工程爆破模擬前處理插件對(duì)模型劃分空氣網(wǎng)格、分配炸藥網(wǎng)格、設(shè)定起爆點(diǎn)、設(shè)置多物質(zhì)流固耦合組件、施加無反射邊界條件，并利用基于HyperMesh開發(fā)的LSDYNA接口提交模型進(jìn)行求解，計(jì)算得到第0.8 ms時(shí)RC柱的節(jié)點(diǎn)位移云圖，見圖12。對(duì)比模擬結(jié)果與爆破試驗(yàn)結(jié)果，可驗(yàn)證基于HyperMesh開發(fā)的工程爆破模擬前處理插件處理模型的準(zhǔn)確性。

3.3.1 破壞形態(tài)對(duì)比

RC柱的迎爆面部分混凝土單元被壓碎;背爆面中部混凝土單元被拉伸破壞，裸露內(nèi)部鋼筋，柱兩側(cè)出現(xiàn)斜向分布的混凝土單元彎剪破壞。這些破壞形態(tài)與田志敏等[12]總結(jié)的C01構(gòu)件整體破壞與局部破壞的耦合震踏破壞狀態(tài)基本一致。

3.3.2 測(cè)量位移對(duì)比

（1）被爆面四分點(diǎn)處位移在起爆15.8 ms達(dá)到負(fù)向位移峰值13.40 mm，經(jīng)過回落震蕩，在大約80.0 ms時(shí)位移值趨于穩(wěn)定，殘余負(fù)向位移即位移終值為4.80 mm，試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比見表1。位移的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果較一致。

（2）背爆面中點(diǎn)的鋼筋變形約在60.0 ms時(shí)達(dá)到變形最大值9.26 mm，在80.0 ms后鋼筋變形趨于平穩(wěn)。參照文獻(xiàn)[12]中C01、CS1和CS2構(gòu)件背爆面中點(diǎn)位置鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線可知，RC柱爆破試驗(yàn)背爆面中點(diǎn)處鋼筋變形約在65.0 ms時(shí)達(dá)到變形最大值8.00 mm，這與模擬結(jié)果非常接近，RC柱爆破模擬背爆面中點(diǎn)處鋼筋變形時(shí)程曲線見圖13。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于HyperMesh的工程爆破前處理優(yōu)化，開發(fā)爆破優(yōu)化插件，可完成以下功能：（1）應(yīng)用介質(zhì)網(wǎng)格自動(dòng)建模和炸藥網(wǎng)格自動(dòng)分配技術(shù)處理ALE網(wǎng)格;（2）將介質(zhì)和炸藥的材料模型實(shí)例化;（3）優(yōu)化起爆點(diǎn)、多物質(zhì)流固耦合和邊界條件等設(shè)置方法;（4）優(yōu)化模型文件與LSDYNA求解器的互通方法。

針對(duì)工程爆破的前處理優(yōu)化方法，在保證求解準(zhǔn)確的條件下，可縮減模型處理的時(shí)間成本，規(guī)范模型處理流程，保證模型參數(shù)設(shè)置的精準(zhǔn)度，提高工作和求解效率。

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（編輯 武曉英）